连载专栏
2023-05-31 00:00:00
【电池材料】第一期 锂离子电池与氟材料
铃木孝典
株式会社铃木材料技术与咨询
【连载专栏：电池材料】 由多年从事锂离子电池材料的开发工作，现任（株）铃木材料技术与咨询公司电池材料顾问的铃木孝典先生，介绍电池材料的市场发展趋势与开发方向。第一期为您送上“锂离子电池与氟材料”。
1. 锂离子电池的历史
锂离子电池的基本概念是由吉野彰博士在1985年确立的，现如今锂离子电池已经拥有了巨大的市场，不仅在通信、移动设备、环境等领域，在其他很多领域均得到了广泛应用，且仍在不断扩大。吉野博士也因这一贡献于2019年获得了诺贝尔化学奖，这是不言而喻的。
之后，索尼公司于1991年首次将产品投入市场。当锂离子电池出现在我们面前时，它已被广泛使用在电脑、手机、摄像机、数码相机等移动设备上。锂离子电池的最大优点是体积小、重量轻、容量大。如果没有锂离子电池，手机、智能手机的市场情况将会完全不同。
近年来，锂离子电池在汽车（EV、HEV、PHEV等＝xEV）、电力储存、工业机械、飞机、火车等方面的用途不断扩大，电池的尺寸也实现了大型化。这30年的历史完全可以说是提高容量与功率密度、降低成本以及保持并提高安全性的历史。
2. 液态电池的开发趋势
对于电池，特性方面恒久不变的要求是大容量密度、高功率密度、轻量、安全和廉价。特别是在锂离子电池中，由于对“高容量电池”的期待，大容量一直是优先考虑的条件。尽管如此，并不是说对其他性能不作要求，而是在各个特性均衡发展的基础上，不断推进高容量的开发，才获得了今天的性能。
锂离子电池的开发要综合考虑材料、设计、生产等各个方面。材料方面，为提高电池性能，不仅要是四大主要材料（正极、负极、电解液、隔膜）的开发，由于对于很多辅助材料对于提高电池性能也很重要，这些材料的开发需求也在不断增加并且已经克服了相当多的难题。
图1. 锂离子电池的历史
2-1. 正极
在正极，一方面进行了通过增加活性物质的含锂量、提高电压来增大容量的开发，另一方面通过降低稀土金属钴以及镍的含量，仅利用易于获得的材料设计来降低成本，稳定材料供应。
2-2. 电解质
为了配合正极的高电压化趋势，提高电解质的耐电压能力，以及使负极工作稳定，正在进行添加剂的开发、筛选与溶剂选定相结合的研究工作。由于电解液使用了具有可燃性的有机溶剂，锂离子电池存在“可燃”这一重大问题。实现电解液的不燃是一个非常重要的课题，其延伸出来的解决方案就是使用固体电解质的全固态电池。
2-3. 隔膜
隔膜是确保电池安全的非常重要的材料。而另一方面，它对于储存电能并没有贡献。因此，人们总是要求在确保安全性的基础上尽可能使其更薄。隔膜的开发可以说需要兼顾安全性和轻薄性。此外，还需要增加对正极高电压的耐受性。
2-4. 负极
为了推进负极的高容量化，正在推进开发添加硅系、锡系等金属氧化物材料的方法，以及将锂金属直接用于负极的方法等。
2-5. 粘接剂
自锂离子电池问世， PVdF材料长期以来一直被用作正极粘结剂。即使加入了提高分子量、官能团引进等改良技术，但其主要材质仍保持PVdF不变。
2-6. 导电剂
多年来，一直采用碳黑类材料作为导电剂。但近年来，在低成本化的背景下，使用多层CNT、单层CNT的产品开始投入市场。以前也存在使用气相沉积碳纳米管的情况，但作为一般导电剂得到实际应用可以说是很大的进步。CNT多数情况下以分散液的形态供货。
3. 大金的材料开发
大金公司凭借多年的氟化学经验，面向锂离子电池开发了粘结剂、电解液用添加剂及溶剂、CNT复合粘结剂分散液、密封圈材料等产品，为提高锂离子电池的性能和确保安全性做出了贡献。
图2.大金的电池材料
3-1. 氟化学与锂离子电池的关系
氟化合物和氟树脂通常以化学稳定性高而闻名，在锂离子电池用途中也使用了很多氟材料。特别是电解质和粘结剂，锂离子电池材料之所以能制造出高性能电池，可以说氟材料功不可没。
锂离子电池的电压可高达4.6V。虽然主要原因是正极的电位非常高，但是在这样高的氧化电位下能够稳定维持性能的材料，除了氟化合物以外，其他材料少之又少。特别是存在于正极电极内的电解质或粘结剂，暴露在强氧化性环境中，需要采用稳定性极高的材料。
3-2. 粘结剂
大金利用自主技术对PVdF进行了改良，推出了能够改善电极柔软性、赋予其高密度化、防凝胶化等功能的新型粘结剂产品“NEOFLON VT-475”。另外，固体电解质专用粘结剂和干法工艺专用粘合剂等产品也在开发中。
3-3. CNT分散液
以大金的粘结剂为基础，正在推进将单层CNT和粘结剂组合而成的含有粘结剂的导电剂分散液“NEOFLON VTD-475N”的开发。这是一款值得期待的产品，它能够同时赋予电极优异的导电性以及大金粘结剂所具备的性能。
3-4. 电解质（添加剂）
大金也正在开发氟系电解液添加剂，目的是添加到电解液中辅助提高其功能。这也是作为氟系材料，在电池中兼具可控的反应性和稳定性、有助于提高电池性能的优良材料。
3-5. 密封圈材料
方形锂离子电池的端子周围用密封圈进行密封。对于圆柱形的电池筒体，正极端子与筒体之间也是通过密封圈进行绝缘、密封的。这些密封圈起到端子和筒体间的绝缘作用并直接接触筒体内的有机电解液， 因此要求兼具化学稳定性和铆接时的抗蠕变性。
正因为多年来一直致力于氟化学的研究，大金公司材料开发在提高先进锂离子电池的性能和通过其使用保护环境方面可以发挥重要作用。希望今后也能通过氟材料的开发为社会做出更大贡献。
沪公网安备 31010602002083号
